機(jī)器人在非接觸式測(cè)量中的應(yīng)用

發(fā)布日期:2012-04-01    蘭生客服中心    瀏覽:4808

1 引言

  隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展,工件的制造精度越來越高,因此對(duì)測(cè)量設(shè)備的精度和功能的要求也越來越高,而且新型專用的測(cè)量設(shè)備的需求也日益增多。傳統(tǒng)的測(cè)量機(jī),大都基于一種幾何坐標(biāo)系,如笛卡兒坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系等。這些測(cè)量機(jī),機(jī)械結(jié)構(gòu)比較直觀,控制算法簡(jiǎn)單,測(cè)量精度高,系統(tǒng)的誤差模型經(jīng)多年的研究已完善。但在有些特殊場(chǎng)合,這些測(cè)量機(jī)不能適應(yīng)。而非正交坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)由于其所具有高的靈活性已經(jīng)成為坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。筆者經(jīng)大量的調(diào)查研究,方案比較,參數(shù)的計(jì)算與優(yōu)化,計(jì)算機(jī)仿真;并充分考慮精度、效率、可靠性、操作性、空間的兼容性等,在基于直角坐標(biāo)系與原柱坐標(biāo)系的固定橋式、關(guān)節(jié)機(jī)器人測(cè)量機(jī)等多種方案的基礎(chǔ)上,為在有限的空間實(shí)現(xiàn)半球自動(dòng)非接觸測(cè)量,將機(jī)器人機(jī)構(gòu)與激光非接觸測(cè)量傳感器技術(shù)相結(jié)合,研制了一種新型的機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在球殼類工件的幾何尺寸和表面缺陷的測(cè)量中具有高速、高精度的特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)的工作原理

  本系統(tǒng)由機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、CCD攝像頭和激光位移傳感器及光珊等測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)3部分組成。機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)是非接觸測(cè)量系統(tǒng)的主體部分。由圖1可見,機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由基座、機(jī)械手、高精度回轉(zhuǎn)臺(tái)、兩維調(diào)平工作臺(tái)等部分組成。激光位移傳感器安裝在機(jī)械手的末端,CCD攝像頭安裝在激光位移傳感器的下方。在測(cè)量中具有3個(gè)自由度的機(jī)械手作為測(cè)量主體。

  基座的中央安裝了一個(gè)高精度的回轉(zhuǎn)主軸,在回轉(zhuǎn)主軸的上端,安裝一個(gè)兩維調(diào)平工作臺(tái),使被測(cè)件的回轉(zhuǎn)軸與回轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)軸重合。測(cè)量時(shí),將工件放在測(cè)量平臺(tái)上,回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)1周,測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量出半球中心的位置,位置誤差被顯示在面板上。在計(jì)算機(jī)提示操作下,將半球與回轉(zhuǎn)軸調(diào)同心。然后,機(jī)器手移動(dòng)到第一個(gè)測(cè)量位置,工作臺(tái)旋轉(zhuǎn),激光傳感器進(jìn)行測(cè)量。隨后機(jī)器手移動(dòng)到下一個(gè)測(cè)量位置,重復(fù)上述過程。當(dāng)整個(gè)球面掃描完成后,就可以獲得球體的表面特征。該測(cè)量系統(tǒng)不僅可以測(cè)量半球殼,還可以測(cè)量它們的各種組合型體,以及其它回轉(zhuǎn)類工件。

1-激光傳感器和CCD攝像頭 2-機(jī)械手 3-扇形輪 4-被測(cè)件 5-回轉(zhuǎn)臺(tái)和調(diào)平工作臺(tái)
圖1 測(cè)量機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  本系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制復(fù)雜,信號(hào)量大,而且對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度要求高,所以控制系統(tǒng)采用了多CPU結(jié)構(gòu)、分布式控制方式,這種控制系統(tǒng)采用集中管理分散控制的方法,具有高的穩(wěn)定性、工作速度和控制性能。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性,控制系統(tǒng)中采用DSP多軸運(yùn)動(dòng)控制器。主計(jì)算機(jī)采用PC主機(jī),控制計(jì)算機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī),整個(gè)軟件系統(tǒng)架構(gòu)在WindowsNT和Windows 2000上。為了提高系統(tǒng)整體的測(cè)量精度,在具體程序中使用了誤差補(bǔ)償技術(shù)。用長(zhǎng)光柵測(cè)弧長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量的高分辨率要求,實(shí)現(xiàn)空間上的高精度定位。程序開發(fā)語言使用C++。選用它的原因是C++語言的高效性,更重要的是和其它程序有很好的兼容性和移植性。

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

  本測(cè)量機(jī)的控制系統(tǒng)如圖2所示,主要由主計(jì)算機(jī)、控制計(jì)算機(jī)、DSP運(yùn)動(dòng)控制器、伺服系統(tǒng)、操縱盒等組成。這樣的控制方式,增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)控制的可靠性和實(shí)時(shí)性。
 
圖2 控制系統(tǒng)原理圖

(1)主計(jì)算機(jī)采用PC主機(jī),它實(shí)施對(duì)控制計(jì)算機(jī)的控制、人機(jī)接口、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理、測(cè)量要素評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)庫管理、圖像采集和處理等工作?刂朴(jì)算機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī),控制機(jī)構(gòu)的空間姿態(tài),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài),讀取空間坐標(biāo)值和測(cè)量數(shù)據(jù)。

(2)控制計(jì)算機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)的通訊端口RS232與主計(jì)算機(jī)通訊,接收主計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令,完成各種運(yùn)動(dòng)指令與運(yùn)動(dòng)控制,同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)與運(yùn)行狀態(tài)返回給主計(jì)算機(jī)。

(3)運(yùn)動(dòng)控制器選用了美國(guó)MEI公司(Motion Engineering,Inc.)的4軸DSP運(yùn)動(dòng)控制器。DSP通過它自己的地址與數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、I/O端口及其它外設(shè),如模擬輸入與輸出、定時(shí)器、位置緩沖區(qū)等進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。作為PC的智能運(yùn)動(dòng)控制器,主CPU通過3字節(jié)的自己的I/O地址,直接訪問這些地址與數(shù)據(jù)總線,與DSP通過外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。這樣,主CPU不必每次通過DSP寄存器按ASCII字符逐個(gè)字符傳送,也避免了從ASCII到二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。它直接進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)的傳輸,因此大大提高了CPU與DSP的通信速率。一般情況下,主CPU只在每個(gè)控制周期一幀一幀地將一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳給DSP。運(yùn)動(dòng)控制過程中,基于DSP運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)控制的主要任務(wù)是:①伺服控制功能:運(yùn)動(dòng)控制器提供了PID和位置伺服環(huán)濾波器,為了減少伺服系統(tǒng)的軌跡誤差,還提供了速度和加速度前饋控制;②運(yùn)動(dòng)控制功能:可以進(jìn)行直線和圓弧插補(bǔ),自動(dòng)完成梯形或s曲線加減速控制;③零位、限位檢測(cè);④實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控。

(4)伺服系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的位置伺服控制和主軸轉(zhuǎn)速伺服控制。本系統(tǒng)采用速度內(nèi)環(huán)和位置外環(huán)的雙環(huán)控制模式(全閉環(huán))。單軸伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,其工作原理:位置信號(hào)(編碼器信號(hào))經(jīng)過細(xì)分、整形后送人計(jì)數(shù)器,從而獲得實(shí)際的空間坐標(biāo)值。DSP將實(shí)際坐標(biāo)值和命令坐標(biāo)值進(jìn)行比較(設(shè)定的坐標(biāo)值由插補(bǔ)計(jì)算得出),得到位置誤差,DSP運(yùn)動(dòng)控制器將位置誤差代人PID調(diào)節(jié)器,得到控制電壓,并通過模擬通道將控制電壓送到伺服驅(qū)動(dòng)器,由伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),從而形成外部位置環(huán)。速度調(diào)節(jié)環(huán)由伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部接收電機(jī)編碼器信號(hào)進(jìn)行速度控制。這樣就形成了本系統(tǒng)的雙環(huán)控制模式。
 
圖3 單軸伺服系統(tǒng)

(5)操縱盒為操作人員提供了一個(gè)便利的現(xiàn)場(chǎng)操作前臺(tái),使用戶可以近距離操作測(cè)量機(jī),實(shí)現(xiàn)某些特定的功能。操縱盒采用以單片機(jī)為核心的智能前端,通過標(biāo)準(zhǔn)接口與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊,實(shí)現(xiàn)測(cè)量機(jī)主體的現(xiàn)場(chǎng)控制,實(shí)時(shí)顯示控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的信息。

(6)測(cè)量系統(tǒng)X、Y、Z和W四個(gè)軸的讀數(shù),都是由控制計(jì)算機(jī)讀取,并傳給主計(jì)算機(jī)。攝像測(cè)頭具有相對(duì)的獨(dú)立性,為便于其開發(fā)以及與整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)軟件的連接,將運(yùn)動(dòng)控制與圖像采集分開:運(yùn)動(dòng)控制通過控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),圖像采集則直接由主計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。激光測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集均由控制計(jì)算機(jī)完成。

3.2 控制系統(tǒng)軟件

3.2.1 軌跡規(guī)劃和測(cè)量控制軟件體系
 
圖4 運(yùn)動(dòng)控制軟件流程

  軌跡規(guī)劃和測(cè)量控制軟件是系統(tǒng)的核心,它要完成人機(jī)交互,控制測(cè)量機(jī)按照測(cè)量路徑進(jìn)行測(cè)量,安全控制,數(shù)據(jù)的采集與管理。軌跡規(guī)劃和測(cè)量控制軟件的流程如圖4所示,主要包括以下功能模塊:

(1)通訊模塊。負(fù)責(zé)管理控制計(jì)算機(jī)與主計(jì)算機(jī)、控制盒的通信。其中,主計(jì)算機(jī)使用串口1,控制盒使用串口2。當(dāng)接收到指令時(shí),產(chǎn)生中斷,置指令標(biāo)志。主程序通過檢測(cè)該標(biāo)志,判斷是否有指令。

(2)主測(cè)量模塊。主要完成測(cè)量路徑規(guī)劃及實(shí)現(xiàn)專用測(cè)量功能,包括內(nèi)球面的測(cè)量控制、外球面的測(cè)量控制、圓柱的測(cè)量控制、平面的測(cè)量控制、表面缺陷等的測(cè)量控制,系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定測(cè)量控制,同時(shí)還負(fù)責(zé)控制機(jī)構(gòu)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)等功能。

(3)初始化模塊。主要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)、標(biāo)志位、通信端口和測(cè)量系統(tǒng)等進(jìn)行初始化。

(4)輔助功能模塊。測(cè)量機(jī)回零、復(fù)位、工件調(diào)偏、單軸運(yùn)動(dòng)、三軸聯(lián)動(dòng)和隨動(dòng)等。

(5)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控模塊。主要是測(cè)量機(jī)軟硬件限位、DSP運(yùn)動(dòng)控制器初始化、系統(tǒng)參數(shù)和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等的監(jiān)控。一旦檢測(cè)到錯(cuò)誤,則停止當(dāng)前測(cè)量,向主計(jì)算機(jī)發(fā)送報(bào)警信息和出錯(cuò)原因,便于用戶調(diào)整,保證了測(cè)量機(jī)運(yùn)行的安全性。

(6)數(shù)據(jù)采集模塊。主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的初始化和測(cè)頭、關(guān)節(jié)編碼器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理。

3.2.2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件
  為了保障測(cè)量系統(tǒng)的安全性和可靠性,必須對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控。運(yùn)動(dòng)監(jiān)控的流程如圖5所示,主要包括主計(jì)算機(jī)、操縱盒停止指令監(jiān)控、測(cè)量機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控。

  測(cè)量機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)控的功能主要是測(cè)量機(jī)軟硬件限位、DSP運(yùn)動(dòng)控制器初始化、系統(tǒng)參數(shù)和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等的監(jiān)控。一旦檢測(cè)到錯(cuò)誤,則停止當(dāng)前測(cè)量,向主計(jì)算機(jī)發(fā)送報(bào)警信息和出錯(cuò)原因,便于用戶調(diào)整。運(yùn)動(dòng)監(jiān)控保證了測(cè)量機(jī)運(yùn)行的安全性,是運(yùn)動(dòng)控制中非常重要的模塊。

4 系統(tǒng)標(biāo)定

4.1 系統(tǒng)標(biāo)定
 
圖5 運(yùn)動(dòng)監(jiān)控流程

  為了實(shí)現(xiàn)控制軌跡要求的末端執(zhí)行器位姿的坐標(biāo),本測(cè)量系統(tǒng)使用專用的實(shí)物基準(zhǔn)作為標(biāo)準(zhǔn)件,采用相對(duì)基準(zhǔn)自標(biāo)定的方法,對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

  該機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)成功地應(yīng)用在球殼體工件幾何尺寸及其表面形貌的無損測(cè)量中,表1是對(duì)某半球的測(cè)量結(jié)果。表中的數(shù)據(jù)表明該測(cè)控系統(tǒng)的具有較高的測(cè)量精度和可靠的穩(wěn)定性。
表1


5 結(jié)論

  本文介紹了一種新型的測(cè)控系統(tǒng),該測(cè)控系統(tǒng)將機(jī)器人技術(shù)、非接觸測(cè)量技術(shù)和主從控制相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了幾何量測(cè)量和缺陷識(shí)別。系統(tǒng)本身具有一定的先進(jìn)性和廣泛的應(yīng)用前景。經(jīng)測(cè)試該測(cè)控系統(tǒng)的具有較高的測(cè)量精度和可靠的穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量精度,更深入的研究和實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中。

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